ПАСМС LW5_MC

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ОРГАНИЗАЦИЯ ПОДПРОГРАММ

Цель работы: изучение принципов организации подпрограмм и передачи па-

раметров; освоение команд, обеспечивающих взаимодействие вызывающей программы с подпрограммой.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

В большой и сложной программе можно выделить последовательности команд, выполняющие некоторые законченные функции (процедуры). Если та-

кие последовательности команд оформить в виде отдельных модулей – под-

программ (routine, subroutine), то в программе эти команды могут быть заме-

нены вызовами соответствующих подпрограмм. Такое модульное (структурное)

программирование даёт следующие преимущества:

ускоряется и упрощается отладка всей программы;

подпрограммы, реализующие универсальные функции, могут использо-

ваться при разработке других программ;

в одной программе могут быть объединены модули, полученные после трансляции программ, написанных на разных языках программирования.

Для взаимодействия вызывающей программы с подпрограммой необхо-

димо выполнение следующих условий:

вызывающей программе должно быть известно положение подпро-

граммы в общей структуре программы;

должны быть определены способы вызова подпрограммы и возврата из неё;

должен быть выбран способ обмена данными между вызывающей про-

граммой и подпрограммой.

1

Положение подпрограммы в общей структуре программы определяется по её имени. Имя подпрограммы на ассемблере, задаваемое символической меткой, является стартовым адресом исполняемой части подпрограммы.

Вызов подпрограммы подразумевает передачу в неё управления ходом выполнения команд. Передача управления осуществляется путём загрузки в программный счётчик (РС) стартового адреса подпрограммы. При этом необ-

ходимо обеспечить сохранение адреса возврата из подпрограммы, т. е. адреса команды, следующей за командой вызова подпрограммы. Для хранения адре-

сов возврата из подпрограмм используется стек (stack).

Стек – специальным образом организованная последовательность ячеек памяти с дисциплиной обслуживания «последним пришёл – первым вышел»

(LIFO: Last-In – First-Out). При занесении в стек новых данных предыдущие дан-

ные сохраняются, но становятся временно недоступными («опускаются»). Вы-

гружаются из стека («поднимаются», «выталкиваются») данные в обратном по-

рядке. Стек может быть реализован как аппаратно, так и программно. Аппарат-

ный стек (Hardware Stack) выполняется непосредственно в составе процессора в виде набора специальных регистров и, как правило, имеет небольшую глуби-

ну. Программный стек (Software Stack) организуется в оперативной памяти;

глубина определяется размером и степенью использования памяти.

Адрес очередной свободной ячейки стека содержится в специальном ре-

гистре – указателе стека SP (Stack Pointer). При записи в стек число помещается в ячейку с адресом, содержащимся в указателе стека, после чего содержимое указателя стека уменьшается на единицу (рис. 23, а). При чтении из стека про-

изводится выборка содержимого ячейки по адресу, на единицу большему со-

держимого указателя стека (рис. 23, б). Таким образом, при записи стека и чте-

нии из него содержимое указателя стека изменяется.

Механизм использования стека для хранения адресов возврата из подпро-

грамм состоит в следующем. Когда в программе встречается команда вызова

подпрограммы, в ячейку памяти, определяемую указателем стека, записывает-

ся адрес возврата; значение указателя стека декрементируется; в про-

граммный

	Исходное	После записи	Исходное	После чтения
	состояние	числа С	состояние

	.		.			.			.
	.		.			.			.
	.		.			.			.
		SP	***	Addr–1	SP	***	Addr–1
SP	***	Addr	С	Addr		С	Addr	SP	***	Addr
	.		.			.			.
	.		.			.			.
	.		.			.			.

а) б)

Рис. 23. Операции записи в стек (а) и чтения из стека (б):

*** – очередная свободная ячейка стека; Addr – адрес

счётчик загружается стартовый адрес подпрограммы. Далее выполняются ко-

манды подпрограммы. Когда в подпрограмме встречается команда возврата в вызывающую программу, значение указателя стека инкрементируется; сохра-

нённый в стеке адрес возврата загружается в программный счётчик (рис. 24).

Использование стека для работы с подпрограммами позволяет одной подпро-

грамме вызывать другую, т. е. обеспечивает возможность вложения подпро-

грамм. Глубина вложения подпрограмм ограничивается размером стека.

	Основная программа	Загрузка в стек адреса	Подпрограмма
	.	возврата; загрузка в
	.	программный счѐтчик
		стартового адреса	SUBR: ...
	.
		подпрограммы
			.
	Вызов п/п SUBR
			.
	Следующая команда
			.
	.
		Извлечение из стека	Возврат
	.
		адреса возврата; загрузка
	.
		адреса возврата в
		программный счѐтчик

Рис. 24. Механизм вызова подпрограммы и возврата в вызывающую программу

3

В большинстве AVR-микроконтроллеров стек размещается в оперативной памяти. Указатель стека представляет собой пару 8-разрядных регистров SPH

(старший байт указателя стека) и SPL (младший байт указателя стека), находя-

щихся в адресном пространстве регистров ввода-вывода. В микроконтроллерах,

размер оперативной памяти которых не превышает 256 байт, для хранения ука-

зателя стека используется только один регистр SPL (SP). Микроконтроллеры, не имеющие оперативной памяти, содержат трёхуровневый аппаратный стек.

Организуемый в оперативной памяти стек «растёт» от старших адресов к младшим. Учитывая, что начальное значение указателя стека после сброса микроконтроллера равно нулю, в инициализирующей (начальной) части про-

граммы необходимо произвести его установку, если предполагается использо-

вание хотя бы одной подпрограммы. При организации стека во внутренней оперативной памяти это может быть сделано, например, следующим образом:

LDI	R16, low(RAMEND)	; младшая		часть	адреса RAMEND
OUT	SPL, R16	; инициализация			SPL
LDI	R16, high(RAMEND)	;	старшая	часть	адреса RAMEND
OUT	SPH, R16	;	инициализация		SPH

Команда OUT осуществляет запись содержимого регистра общего назначения в регистр ввода-вывода; RAMEND – символическое имя адреса последней ячейки внутренней оперативной памяти. Для того чтобы использовать в программе символические имена адресов периферийных устройств AVR-микро-

контроллера, необходимо при помощи директивы .include подключить файл определения адресов периферийных устройств (inc-файл). Например, для мик-

роконтроллера ATmega8535 следует подключить файл m8535def.inc:

.include "m8535def.inc"

К подключаемому inc-файлу должен быть указан путь в поле Include Path окна

AVR Assembler, вызов которого осуществляется командой AVR Assembler Setup

меню Project. При использовании директивы .include нет необходимости

включать в программу директиву .device, так как она содержится в соответст-

вующем inc-файле.

Избежать появления в листинге трансляции текста inc-файла позволяет директива .nolist отключения листинга. Директива .nolist используется совместно с директивой .list включения листинга (по умолчанию режим генерации листинга включѐн). Исключение inc-файла из листинга трансляции может быть произведено следующим образом:

.nolist	; отключить генерацию листинга
.include "m8535def.inc"	;	подключить inc-файл
.list	;	включить генерацию листинга

Вызов подпрограммы на языке ассемблера AVR-микроконтроллеров осу-

ществляется командами RCALL, ICALL, CALL и EICALL. Команда RCALL (Relative Call – относительный вызов) обеспечивает вызов подпрограммы, смещение на-

чального адреса которой относительно текущего значения программного счёт-

чика лежит в пределах 2 Кслов ( 4 Кбайт), с помощью относительной адреса-

ции памяти программ. Команда ICALL (Indirect Call – косвенный вызов) произво-

дит косвенный вызов подпрограммы по адресу памяти программ, содержаще-

муся в регистре-указателе Z; максимальное смещение начального адреса под-

программы составляет 64 Кслов (128 Кбайт). Команда CALL (Call – вызов) обеспе-

чивает вызов подпрограммы из памяти программ размером до 4 Мслов (8

Мбайт) с использованием непосредственной адресации. Команда EICALL (Extended Indirect Call – расширенный косвенный вызов) позволяет выполнять кос-

венный вызов подпрограмм из памяти программ размером до 4 Мслов (8

Мбайт). При выполнении команд RCALL, ICALL, CALL и EICALL текущее значение программного счётчика заносится в стек (2 байта в микроконтроллерах с 16-

разрядным программным счётчиком или 3 байта в микроконтроллерах с 22-

5

разрядным программным счётчиком). Содержимое указателя стека (SPH:SPL)

уменьшается соответственно на 2 или 3.

Примеры использования команд вызова подпрограмм:

RCALL	subr1	; относительный	вызов подпрограммы subr1
; косвенный вызов подпрограммы subr2
LDI	R30, low(subr2)
LDI	R31, high(subr2)
ICALL		; команда icall	не имеет операндов

Для возврата из подпрограмм используется команда RET. При выполнении команды RET адрес возврата загружается из стека в программный счётчик. При этом содержимое указателя стека увеличивается на 2 или 3 в зависимости от разрядности программного счётчика (см. выше).

Стек может также использоваться для сохранения содержимого РОН на время выполнения подпрограмм. Для сохранения в стеке и извлечения из стека содержимого РОН служат команды PUSH и POP. Команда PUSH заносит содер-

жимое регистра в стек по адресу, хранящемуся в указателе стека, при этом зна-

чение указателя стека уменьшается на единицу (SPH:SPL = SPH:SPL – 1). Коман-

да POP выполняет обратные действия: значение указателя стека увеличивается на единицу (SPH:SPL = SPH:SPL + 1); содержимое ячейки памяти по адресу, хра-

нящемуся в указателе стека, загружается в регистр.

Программы с использованием подпрограмм обычно начинаются с коман-

ды относительного перехода к основной программе, в которой прежде всего производится инициализация стека (рис. 25).

.nolist	; отключить		генерацию листинга
.include "m8535def.inc"	; подключить inc-файл
.list	; включить генерацию листинга
RJMP RESET	;	переход к	основной программе
PODPR:	;	подпрограмма PODPR

; ...
RET		; возврат в основную программу
RESET:		; основная программа
LDI	R16, low(RAMEND)
OUT	SPL, R16	; инициализация SPL
LDI	R16, high(RAMEND)
OUT	SPH, R16	; инициализация SPH

; ...
RCALL	PODPR	; вызов подпрограммы PODPR
; ...

Рис. 25. Пример программы с использованием подпрограммы

При работе с подпрограммами важно обеспечить передачу параметров из вызывающей программы в подпрограмму и возврат результатов выполнения подпрограммы обратно в вызывающую программу. В ассемблере AVR-микро-

контроллеров способы обмена данными между вызывающей программой и подпрограммой не формализованы. Для передачи параметров могут исполь-

зоваться регистры общего назначения, ячейки оперативной памяти и стек.

Передача параметров через регистры общего назначения пригодна только для небольшого числа параметров, так как число РОН ограничено и за-

нятые под параметры регистры уже нельзя использовать в подпрограмме для участия в других вычислениях и хранения других данных. Однако это самый простой и прозрачный способ передачи параметров, обеспечивающий самый быстрый доступ к передаваемым параметрам.

Использование оперативной памяти для передачи параметров требует жёсткой регламентации правил обращения к ним. Например, можно организо-

вать в памяти массив (таблицу) для непосредственного хранения значений пе-

редаваемых параметров или их адресов; адрес начала массива занести в РОН.

Имея начальный адрес массива, вызывающая программа и подпрограмма смо-

гут получить доступ к требуемым параметрам.

7

При передаче параметров через стек перед вызовом подпрограммы передаваемые параметры заносятся в стек. Следует помнить, что после выполнения команды вызова подпрограммы в стек будет добавлен адрес возврата в вызывающую программу. Задавшись значением указателя стека в качестве базового адреса и используя косвенную адресацию памяти данных со смещением, в подпрограмме можно получить доступ к содержащимся в стеке параметрам. Например, если в основной программе перед вызовом подпрограммы занести в стек значение некоторого параметра:

LDI	R16, $33	;	R16 <- $33
PUSH	R16	;	сохранение содержимого регистра R16 в стеке

то в подпрограмме можно получить к нему доступ:

IN	R30, SPL	; младший байт указателя стека
IN	R31, SPH	;	старший байт указателя стека
LDD	R20, Z+3	;	загрузка числа $33 из стека в регистр R20

(команда IN служит для считывания содержимого регистра ввода-вывода в РОН). Аналогично можно использовать стек для хранения адреса массива передаваемых параметров, расположенного в оперативной памяти данных.

ЗАДАНИЕ

1. Составить программу, использующую для вызова подпрограммы команду RCALL. Выполняемую подпрограммой функцию взять из задания лабораторной работы № 4 (по указанию преподавателя). Для передачи параметров в подпрограмму использовать регистры общего назначения. Выполнить программу в пошаговом режиме, отслеживая изменение содержимого программного счётчика, указателя стека, а также занесение в стек адреса возврата из подпрограммы.

2. Выполнить задание п. 1, используя стек для передачи параметров в под-

программу. Проследить в симуляторе занесение передаваемых параметров в

стек.

3. Выполнить задание п. 2, применив для вызова подпрограммы команду

ICALL.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

Отчёт должен содержать: титульный лист с указанием номера и названия лабораторной работы, номера группы и фамилий выполнивших работу; цель работы; листинги трансляции программ в соответствии с заданием.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Условия взаимодействия вызывающей программы и подпрограммы.

2.Принципы организации и назначение стека.

3.Механизм вызова подпрограмм.

4.Команды работы с подпрограммами на ассемблере микроконтроллеров се-

мейства AVR.

5.Способы обмена данными между вызывающей программой и подпрограм-

мой.

9

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Основные характеристики микроконтроллеров

групп Tiny AVR, Mega AVR и LCD AVR

								Tiny AVR										Mega AVR
	Характеристика				ATtiny13			ATtiny15L		ATtiny26		ATtiny28		ATtiny2313		ATmega48		ATmega8	ATmega88	ATmega8515	ATmega8535
Объём	памяти	программ		1			1		2		2		2			4	8		8	8	8
(FLASH), Кбайт
Объём	внутренней	оперативной		64				–	128			–	128			256	512		512	512	512
памяти данных (SRAM), байт
Объём энергонезависимой памяти				64			64		128			–	128			512		1K	1K	512	512
данных (EEPROM), байт
Количество команд				120			90		118		90		120			130	130		130	130	130
Количество линий ввода-вывода				6			6		16		20		18			23	23		23	35	32
Количество векторов прерываний				10			9		12		6		19			19	19		19	17	21
Разрядность программного счётчи-				16			16		16		16		16			16	16		16	16	16
ка (PC)
Стек1						П		А		П		А		П		П		П	П	П	П
8-разрядный таймер-счётчик				1			2		2		1		1			2	2		2	1	2
16-разрядный таймер-счётчик						–		–		–		–	1			1	1		1	1	1
Сторожевой таймер				+			+		+		+		+			+	+		+	+	+
Аналоговый компаратор				+			+		+		+		+			+	+		+	+	+
АЦП (10 разрядов), каналов				4			4		11			–		–		8	8		8	–	8
Аппаратный умножитель						–		–		–		–		–		+	+		+	+	+
Универсальный		асинхронный				–		–		–		–	1			1	1		1	1	1
приёмопередатчик (УАПП)
Интерфейс SPI для обмена данны-						–		–		–		–		–		2	1		2	1	1
ми